EP2220469A1 - Analyse optischer spektren mit grosser messdynamik - Google Patents

Analyse optischer spektren mit grosser messdynamik

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Publication number
EP2220469A1
EP2220469A1 EP08855212A EP08855212A EP2220469A1 EP 2220469 A1 EP2220469 A1 EP 2220469A1 EP 08855212 A EP08855212 A EP 08855212A EP 08855212 A EP08855212 A EP 08855212A EP 2220469 A1 EP2220469 A1 EP 2220469A1
Authority
EP
European Patent Office
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radiation
pump
sample
waveguide
pump radiation
Prior art date
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Ceased
Application number
EP08855212A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kai-Uwe Lauterbach
Thomas Schneider
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsche Telekom AG
Original Assignee
Deutsche Telekom AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2220469A1 publication Critical patent/EP2220469A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/44—Raman spectrometry; Scattering spectrometry ; Fluorescence spectrometry
    • G01J3/4412—Scattering spectrometry

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the frequency spectrum of a sample radiation propagating in a waveguide in the forward direction, in the opposite direction a first pump radiation is coupled into the waveguide causing stimulated Brillouin scattering (SBS) on the sample radiation, wherein the frequency of the pump radiation such is changed so that the narrow-band and shifted to the Brilloin shift gain peak migrates through the frequency spectrum of the sample radiation and selectively amplifies the respective spectral components.
  • the intensity of the sample radiation is measured by means of a detector, wherein the output signal of the detector is registered as a function of the changed frequency of the pump radiation and wherein from the change of the output signal, the frequency spectrum of the sample radiation is determined.
  • the invention also relates to a system for implementing the method.
  • the measurement of the spectra of optical signals is of importance.
  • Various methods are known with which a spectrum can be measured.
  • interferometers, grating spectrometers or optical spectrum analyzers (OSA) can be used.
  • OSA optical spectrum analyzers
  • a pump laser in a fiber produces a narrowband gain over the nonlinear effect of stimulated Brillouin scattering.
  • This gain is “pushed” across the spectrum to be measured, with the gains increased within the gain depending on the shift in the amplitude distribution to be measured.
  • This method has the advantage over the others that it provides high resolution measurements in the On the other hand, the process is simple and inexpensive to implement, since neither fast photodiodes nor electrical spectrum analyzers are needed, and the signal is measured directly in the optical domain so that no intermodulation products distort the result.
  • the forward propagation of the radiation in the fiber is measured by means of an optical photodetector which captures the entire incoming intensity rather than just the wavelength-selective region of interest.
  • an optical photodetector which captures the entire incoming intensity rather than just the wavelength-selective region of interest.
  • the result is distorted by both the attenuated intensity of the entire spectrum to be measured in the glass fiber, which hits the detector.
  • parts of the pump shaft also pass directly into the detector by crosstalk of the circulator.
  • the object of the invention is now to provide a method for determining the spectral components of a spectrum by means of SBS, which has an increased measurement dynamics because of the lowered portion of the noise floor and is robust and reliable.
  • the essential basic idea of the invention is to lower in the truest sense of the word the intensity of the unwanted components reaching the detector, ie the background noise, by dividing these components over a wide frequency range by means of a particularly broadband anti-Stokes wave (Brillouin Loss) are weakened.
  • the broadband anti-Stokes wave is generated by at least one second pump radiation, which is coupled in addition to the first, the narrow measuring peak causing pump radiation against the propagating in the forward direction sample radiation in the light guide.
  • This second pump radiation may be part of the pump radiation taken from a single common pump source.
  • the method according to the invention is effectively characterized by a superposition of anti-Stokes loss and Stokes gain.
  • the frequency-selective attenuation due to the anti-Stokes loss is used for the reduction of the unwanted signal components described above at the input of the detector.
  • a pump wave with the optical frequency f p below the threshold value in a glass fiber at a frequency of f p - f B has a Brillouin gain (Stokes) and at f p + f B a Brillouin Lost (anti-Stokes) for opposite signal waves generated, where f B is the Brillouin shift.
  • f B in standard singlemode glass fibers (SSMF) is about 11 GHz.
  • the gain and loss bandwidth of the SBS is particularly small and in SSMF is about 35 MHz for unmodulated pump light of a wavelength of 1550 nm.
  • the gain and loss bandwidth of the SBS can be increased by a widened pump wave.
  • the pump laser can be increased by a direct modulation in its bandwidth. If the bandwidth of the pump wave is much larger than the natural Brillouin bandwidth, then both the gain and the loss have the same bandwidth as the pump wave. It is known that the gain bandwidth of the SBS can be extended to twice the Brillouin shift with a pump laser. With multiple For pump lasers, the gain bandwidth can be widened to multiples of the Brillouin shift.
  • the second pumping radiation is coupled into the waveguide parallel to the first pumping radiation, wherein the second pumping radiation generates a Brillouin loss which is much greater than the first pumping radiation, ie at least twice as large.
  • the frequency of the second pump radiation is to be selected such that the loss peak of the second pump radiation is in the range of the frequency spectrum of the sample radiation, so that the frequency-wise overlapping frequency components of the sample radiation are compensated by the loss peak.
  • the Brillouin gain of the first pump radiation is shifted through the spectrum and amplifies in each case a small section of the spectrum to be measured. Depending on this, it may be advantageous to shift even the broad loss peak in particular independently. In a particularly simple embodiment, however, it remains constant in its frequency distribution.
  • the natural gain bandwidth of the Stokes gain of a few megahertz is thus used for sampling the probe spectrum. This amplifies all spectral components which propagate counter to the direction of the pump wave and lie in the wavelength range of the gain, while all components lying in the wavelength range of the loss peak are attenuated.
  • the anti-Stokes loss can thus reduce unwanted signal components frequency selective strong.
  • the loss peak of the second pump radiation has at least the width of the frequency spectrum of the sample radiation.
  • Figure 1 a system for implementing the method
  • FIG. 2 shows superimposed spectra according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows a system for implementing the method.
  • the emission spectrum of a pump laser 1 is broadened by direct modulation by means of a noise source 3 in the bandwidth.
  • a noise source 3 in the bandwidth.
  • the bandwidth can even be increased to several times the Brillouin shift by the method described in the article "Potential Ultra Wide Slow-Light Bandwidth Enhancement", Optics Express 14 (2006), pp. 11082-11087 its wavelength are shifted.
  • the further pump laser 2 emits light with a low bandwidth, which can also be shifted in wavelength. It generates a narrow Brillouin gain which is used as a "measuring peak."
  • the light of the two pump lasers 1 and 2 is combined by means of an optical coupler 4 into a beam which is fed into the port a of an optical circulator 5.
  • the circulator 5 outputs in Tor a fed light over Tor b and the light fed into Tor b via Tor c All other paths are locked except for effects of crosstalk
  • the glass fiber 6 is the physical medium in which the non-linear process of the SBS takes place at the emission spectrum.
  • the unknown emission spectrum of a laser 7 to be examined is fed into gate A of the glass fiber 6 and impinges on the "opposite" pump radiation 5.
  • the SBS takes place, the optical circulator 5 emitting the light entering port b via port c from where it is fed to an optical photodetector 8. All signal portions expiring at port c become received with the photodetector 8. This converts the optical power or the intensity into an equivalent DC voltage, which is transferred to an evaluation unit, not shown. Without the inventive compensation, the following signal components enter the photodetector 8:
  • the pump lasers 1 and 2 each generate a Stokes gain and an anti-Stokes loss in the optical fiber 6. If the Stokes gain 10 of the narrow-band pump radiation in the frequency range of the emission spectrum to be measured 9 of the test radiation ( Figure 2), the corresponding Frequency components of the test radiation amplified. These amplified components form the measurement signal, which accounts for the majority of the intensity applied to the detector.
  • the noise component initially contributes to the noise that is attenuated by the fiber 6 and reaches the detector 8.
  • the power components of the pump waves 1 and 2 which reach the detector 8 by crosstalk of the circulator 5 (Tor a to Tor c), increase the noise component.
  • the pump waves 1 and 2 always produce Rayleigh scattering in the fiber 6, whereby the light backscattered by this linear effect also passes into the detector 8.
  • the signal strength S measured in the detector is plotted against the wavelength ⁇ .
  • the spectrum of the combined pump waves is set as follows: The narrow gain and thus the "measurement peak"
  • Wavelength shift of pump laser 2 the position of the measuring peak 10. In this way, the measuring peak 10 is pushed through the emission spectrum to be measured 9.
  • the signal output by the photodetector 8 results in the spectral course of the emission spectrum 9 as a function of the wavelength of the measuring peak.
  • the broadened anti-Stokes loss 12 is shifted by modulation of the pump laser 1 "below" the emission spectrum 9. In the wavelength range of the anti-Stokes loss 12, all occurring signal components are attenuated Thus, the noise floor is reduced by the emission spectrum 9 caused proportion.
  • the bandwidth of the anti-Stokes loss 12 is set to be at least equal to the bandwidth of the emission spectrum 9. However, even at lower bandwidths, there is an increase in the measurement dynamics.
  • FIG. 2 shows the principal optical spectrum at port c of the circulator 5 in the event that the pump laser 2 has been expanded to a bandwidth which corresponds to the double Brillouin shift.
  • the emission spectrum 9 the crosstalk of the pump wave 2 in the circulator 5 and the Rayleigh scattering of the pump laser 2 are attenuated by the broadened anti-Stokes spectrum generated by the pump laser 1. This reduces the background noise at the input of the photodetector.

Landscapes

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

Verfahren zur Bestimmung des Frequenzspektrums (9) einer sich in einem Wellenleiter (6) in einer Vorwärtsrichtung ausbreitenden Probenstrahlung, wobei in entgegengesetzter Richtung eine erste Pumpstrahlung (11) in den Wellenleiter (6) eingekoppelt wird, die stimulierte Brillouin Streuung (SBS) an der Probenstrahlung verursacht, wobei die Frequenz der ersten Pumpstrahlung (11) derart verändert wird, dass der schmalbandige und um die Brilloin-Verschiebung verschobene Gewinn-Peak (10) der SBS durch das Frequenzspektrum (9) der Probenstrahlung wandert, wobei die Intensität der sich in Vorwärtsrichtung ausbreitenden Strahlung vermittels eines Detektors (8) gemessen wird, wobei das Ausgangssignal des Detektors (8) in Abhängigkeit der veränderten Frequenz der ersten Pumpstrahlung (11) registriert wird und wobei das Frequenzspektrum (9) der Probenstrahlung aus der Veränderung des Ausgangssignals bestimmt wird, wobei parallel zur ersten Pumpstrahlung (11) eine zweite Pumpstrahlung (13) in den Wellenleiter (6) eingekoppelt wird, wobei die zweite Pumpstrahlung (13) einen Brillouin-Verlust (12) erzeugt, der im Verhältnis zum Gewinn-Peak (10) der ersten Pumpstrahlung (11) um ein Vielfaches breiter ist, wobei der Verlust-Peak (12) der zweiten Pumpstrahlung (13) in das Frequenzspektrum (9) der Probenstrahlung gelegt wird.

Description

Analyse optischer Spektren mit großer Messdynamik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Frequenzspektrums einer sich in einem Wellenleiter in Vorwärtsrichtung ausbreitenden Probenstrahlung, wobei in entgegengesetzter Richtung eine erste Pumpstrahlung in den Wellenleiter eingekoppelt wird, die stimulierte Brillouin Streuung (SBS) an der Probenstrahlung verursacht, wobei die Frequenz der Pumpstrahlung derart verändert wird, dass der schmalbandige und um die Brilloin-Verschiebung verschobene Gewinn-Peak durch das Frequenzspektrum der Probenstrahlung wandert und die jeweiligen spektralen Anteile selektiv verstärkt. Die Intensität der Probenstrahlung wird vermittels eines Detektors gemessen, wobei das Ausgangssignal des Detektors in Abhängigkeit der veränderten Frequenz der Pumpstrahlung registriert wird und wobei aus der Veränderung des Ausgangssignals das Frequenzspektrum der Probenstrahlung bestimmt wird. Die Erfindung betrifft zudem ein System zur Umsetzung des Verfahrens.
Insbesondere in der optischen Nachrichtentechnik aber auch in anderen Bereichen von Wissenschaft und Technik ist die Ausmessung der Spektren optischer Signale von Bedeutung. Dabei sind verschiedene Methoden bekannt, mit denen sich ein Spektrum vermessen lässt. Beispielsweise können dazu Interferometer, Gitterspektrometer oder optische Spektrumanalysatoren (OSA) benutzt werden. Es hat sich jedoch als besonders vorteilhaft erwiesen, sich zur Messung der Amplitudenverteilung in einem Spektrum des oben genannten Verfahrens zu bedienen, das auf der Grundlage der SBS basiert. Dieses Verfahren wird beispielsweise in der DE 10 2005 040 968 A1 beschrieben. Bei der Umsetzung des Verfahrens erzeugt ein Pumplaser in einer Faser einen schmalbandigen Gewinn über den nichtlinearen Effekt der stimulierten Brillouin Streuung. Dieser Gewinn wird über das zu messende Spektrum „geschoben", wobei die innerhalb des Gewinns verstärkten Anteile in Abhängigkeit von der Verschiebung der zu messenden Amplitudenverteilung gleichen. Dieses Verfahren hat gegenüber den anderen genannten zum einen den Vorteil, dass es Messungen mit einer hohen Auflösung im Femtometer-Bereich ermöglicht. Zum anderen ist das Verfahren einfach und kostengünstig umzusetzen, da weder schnelle Photodioden noch elektrische Spektrumanalysatoren benötigt werden. Außerdem wird das Signal direkt im optischen Bereich gemessen, so dass keine das Ergebnis verfälschenden Intermodulationsprodukte auftreten.
Allerdings wird die sich in Vorwärtsrichtung in der Faser ausbreitende Strahlung vermittels eines optischen Photodetektors gemessen, der die gesamte ankommende Intensität und nicht nur wellenlängenselektiv den interessierenden Bereich aufnimmt. Somit geht bei dieser Art der optischen Spektrumanalyse nicht nur der durch SBS verstärkte Ausschnitt des zu vermessenden Spektrums in das Ergebnis ein. Stattdessen wird das Ergebnis sowohl durch die in der Glasfaser gedämpfte Intensität des kompletten zu vermessenden Spektrums verfälscht, die auf den Detektor trifft. Zudem gelangen auch Teile der Pumpwelle durch Übersprechens des Zirkulators direkt in den Detektor. Diese „unerwünschten" Anteile stellen das Grundrauschen des Messverfahrens dar, wobei der Quotient aus dem Signal und dem Grundrauschen die Messdynamik des Verfahrens bestimmt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, ein Verfahren zur Bestimmung der spektralen Anteile eines Spektrums mittels SBS zu schaffen, das wegen des abgesenkten Anteils des Grundrauschens eine erhöhte Messdynamik aufweist und dabei robust und zuverlässig ist. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein System zur Umsetzung des Verfahrens zu schaffen.
Diese Aufgaben werden durch das Verfahren nach Anspruch 1 und das System nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen genannt. Der wesentliche Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die Intensität der ungewünschten in den Detektor gelangenden Anteile, also das Grundrauschen, im wahrsten Sinne des Wortes abzusenken, indem diese Anteile über einen breiten Frequenzbereich mittels einer besonders breitbandigen durch SBS erzeugten Anti- Stokes-Welle (Brillouin-Verlust) geschwächt werden. Dabei wird die breitbandige Anti-Stokes-Welle durch zumindest eine zweite Pumpstrahlung erzeugt, die zusätzlich zur ersten, den schmalen Messpeak verursachenden Pumpstrahlung auch entgegen der sich in Vorwärtsrichtung ausbreitenden Probenstrahlung in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Diese zweite Pumpstrahlung kann ein Teil der einer einzigen gemeinsamen Pumpquelle entnommenen Pumpstrahlung sein. Sie kann aber auch in einer vorteilhaften Ausführungsform durch zumindest eine zweite oder auch durch mehrere Pumpquellen erzeugt werden. Das erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich somit gewissermaßen durch eine Überlagerung eines Anti- Stokes-Verlustes und Stokes-Gewinns aus. Dabei wird die frequenzselektive Dämpfung in Folge des Anti-Stokes-Verlusts für die Reduzierung der oben beschriebenen ungewollten Signalanteile am Eingang des Detektors genutzt.
Zur Erklärung der SBS sei hier noch einmal zusammengefasst, dass eine Pumpwelle mit der optischen Frequenz fp unterhalb des Schwellwerts in einer Glasfaser bei einer Frequenz von fp - fB einen Brillouin -Gewinn (Stokes) und bei fp + fB einen Brillouin-Verlust (Anti-Stokes) für gegenläufige Signalwellen erzeugt, wobei fB die Brillouin-Verschiebung ist. Bei einer Pumpwellenlänge von 1550 nm ist fB in Standard Singlemode Glasfasern (SSMF) etwa 11 GHz. Die Verstärkungs- und Verlustbandbreite der SBS ist besonders klein und beträgt in SSMF etwa 35 MHz für unmoduliertes Pumplicht einer Wellenlänge von 1550 nm.
Prinzipiell lässt sich die Verstärkungs- und Verlustbandbreite der SBS durch eine verbreiterte Pumpwelle erhöhen. Dabei kann beispielsweise der Pumplaser über eine direkte Modulation in seiner Bandbreite vergrößert werden. Ist die Bandbreite der Pumpwelle wesentlich größer als die natürliche Brillouin-Bandbreite, so haben sowohl der Gewinn als auch der Verlust die gleiche Bandbreite wie die Pumpwelle. Es ist bekannt, dass die Verstärkungsbandbreite der SBS mit einem Pumplaser auf das doppelte der Brillouin-Verschiebung erweitert werden kann. Mit mehreren Pumplasern kann die Verstärkungsbandbreite entsprechend auf das Mehrfache der Brillouin-Verschiebung erweitert werden.
Erfindungsgemäß wird also die zweite Pumpstrahlung parallel zur ersten Pumpstrahlung in den Wellenleiter eingekoppelt, wobei die zweite Pumpstrahlung einen im Verhältnis zur ersten Pumpstrahlung um ein Vielfaches, also mindestens um das Doppelte, breiteren Brillouin-Verlust erzeugt. Die Frequenz der zweiten Pumpstrahlung ist so zu wählen, dass der Verlust-Peak der zweiten Pumpstrahlung im Bereich des Frequenzspektrums der Probenstrahlung liegt, so dass die sich frequenzmäßig überschneidenden Frequenzanteile der Probenstrahlung durch den Verlust-Peak kompensiert werden. Wie gehabt, wird der Brillouin-Gewinn der ersten Pumpstrahlung durch das Spektrum verschoben und verstärkt jeweils einen kleinen Ausschnitt des zu messenden Spektrums. Je nach dem kann es vorteilhaft sein, auch den breiten Verlust-Peak inbesondere unabhängig davon zu verschieben. In einer besonders einfachen Ausführungsform bleibt er jedoch in seiner Frequenzverteilung konstant.
Die natürliche Verstärkungsbandbreite des Stokes-Gewinns von wenigen Megahertz wird somit für das Abtasten des Probespektrums verwendet. Damit werden alle spektralen Anteile verstärkt, die sich entgegen der Richtung der Pumpwelle ausbreiten und im Wellenlängenbereich des Gewinns liegen, während alle Anteile, die im Wellenlängenbereich des Verlusts-Peaks liegen, gedämpft werden. Der Anti-Stokes-Verlust kann somit unerwünschte Signalanteile frequenzselektiv stark absenken.
Um eine möglichst vollständige Kompensation des durch das Probespektrum im Detektor verursachte Rauschen zu gewährleisten, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Verlust-Peak der zweiten Pumpstrahlung mindestens die Breite des Frequenzspektrums der Probenstrahlung aufweist. Zudem ist es zum Zwecke der kompletten Kompensation der durch das Probespektrum verursachten Detektorsignals vorteilhaft, die Höhe des Verlust-Peaks durch Einstellung der Pumpquelle so einzurichten, dass sie mit entgegengesetztem Vorzeichen zumindest nahezu der Höhe des Frequenzspektrums der Probenstrahlung entspricht. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : ein System zur Umsetzung des Verfahrens und
Figur 2: erfindungsgemäß überlagerte Spektren.
In Figur 1 ist ein System zur Umsetzung des Verfahrens schematisch dargestellt. Dabei wird das Emissionsspektrum eines Pumplasers 1 durch direkte Modulation mittels einer Rauschquelle 3 in der Bandbreite verbreitert. Auf diese Weise ist eine Erweiterung auf etwas das doppelte der Brillouin-Verschiebung möglich. Mit dem in Artikel „Potential ultra wide slow-light bandwidth enhancement", Optics Express 14 (2006), S. 11082-11087, beschriebenen Verfahren kann die Bandbreite sogar auf das Mehrfache der Brillouin-Verschiebung erweitert werden. Der Pumplaser 1 kann zudem in seiner Wellenlänge verschoben werden.
Der weitere Pumplaser 2 emittiert Licht mit einer geringen Bandbreite, das sich ebenfalls in der Wellenlänge verschieben lässt. Er erzeugt einen schmalen Brillouin-Gewinn der als „Messpeak" eingesetzt wird. Das Licht der beiden Pumplaser 1 und 2 wird mittels eines optischen Kopplers 4 zu einem Strahl zusammengeführt, der in das Tor a eines optischen Zirkulators 5 eingespeist wird. Der Zirkulator 5 gibt in Tor a eingespeistes Licht über Tor b und das in Tor b eingespeiste Licht über Tor c aus. Alle anderen Wege sind bis auf Effekte des Übersprechens gesperrt. Die beiden Spektren der Pumplaser 1 und 2 werden über den Zirkulator in das Tor B der Glasfaser 6 eingekoppelt. Die Glasfaser 6 ist das physikalische Medium in dem der nichtlineare Prozess der SBS am Emissionsspektrum stattfindet..
Das unbekannte Emissionsspektrum eines zu untersuchenden Lasers 7 wird in Tor A der Glasfaser 6 eingespeist und trifft dort auf die „entgegen kommende" Pumpstrahlung. In der Faser 6 geschieht die SBS, wobei der optische Zirkulator 5 das in Tor b einlaufende Licht über Tor c ausgibt, von wo es einem optischen Photodetektor 8 zugeführt wird. Alle an Tor c auslaufenden Signalanteile werden mit dem Photodetektor 8 empfangen. Dieser wandelt die optische Leistung respektive die Intensität in eine äquivalente Gleichspannung um, die einer nicht dargestellten Auswerteeinheit übergeben wird. Ohne die erfindungsgemäße Kompensation gelangen folgende Signalanteile in den Photodetektor 8:
Die Pumplaser 1 und 2 erzeugen jeweils einen Stokes-Gewinn und einen Anti- Stokes-Verlust in der Glasfaser 6. Liegt der Stokes-Gewinn 10 der schmalbandigen Pumpstrahlung im Frequenzbereich des zu messenden Emissionsspektrum 9 der Probestrahlung (Figur 2), so werden die entsprechenden Frequenzanteile der Probestrahlung verstärkt. Diese verstärkten Anteile bilden das Messsignal, das den Hauptanteil der am Detektor anliegenden Intensität ausmacht. Zum Rauschanteil trägt zunächst das gesamte durch die Faser 6 gedämpfte und auf den Detektor 8 gelangende zu messende Spektrum bei. Auch die Leistungsanteile der Pumpwellen 1 und 2, die durch Übersprechen des Zirkulators 5 (Tor a zu Tor c) zum Detektor 8 gelangen, erhöhen den Rauschanteil. Letztendlich erzeugen die Pumpwellen 1 und 2 auch immer Rayleigh-Streuung in der Faser 6, wobei auch das durch diesen linearen Effekt rückgestreute Licht in den Detektor 8 gelangt. In Figur 2 ist die im Detektor gemessene Signalstärke S gegen die Wellenlänge λ aufgetragen.
Zur Erhöhung der Messdynamik wird das Spektrum der kombinierten Pumpwellen folgendermaßen eingestellt: Der den schmalen Gewinn und damit den „Messpeak"
10 verursachende Pumplaser 2 wird insbesondere durch externe Modulation in seiner Wellenlänge 11 verschoben, bis er um den Wert der Brillouin-Verschiebung unterhalb des Anfangs des unbekannten Emissionsspektrums 9 liegt. Dem
Messpeak steht auf der anderen Seite ein entsprechender Verlust 14 entgegen. Wegen der konstanten Brillouin-Verschiebung ändert sich durch die
Wellenlängenverschiebung von Pumplaser 2 auch die Lage des Messpeaks 10. Auf diese Weise wird der Messpeak 10 durch das zu messende Emissionsspektrum 9 geschoben. Das vom Photodetektor 8 ausgegebene Signal ergibt in Abhängigkeit der Wellenlänge des Messpeaks den spektralen Verlauf des Emissionsspektrums 9. Zur Reduzierung des Rauschanteils wird der Pumplaser 1 in seiner Wellenlänge 13 und damit auch der Brillouin-Verlust 12 durch die Rauschquelle 3 aufgeweitet. Der verbreiterte Anti-Stokes-Verlust 12 wird durch Modulation des Pumplasers 1 „unter" das Emissionsspektrums 9 verschoben. Im Wellenlängenbereich des Anti-Stokes- Verlusts 12 werden alle auftretenden Signalanteile gedämpft. Somit wird das Grundrauschen um den vom Emissionsspektrum 9 hervorgerufenen Anteil reduziert. Dadurch steigt das Signal zu Rauschverhältnis und demzufolge die Messdynamik des Systems. Vorteilhafterweise wird die Bandbreite des Anti- Stokes-Verlusts 12 so eingestellt, dass sie mindestens der Bandbreite des Emissionsspektrums 9 entspricht. Jedoch ergibt sich auch schon bei geringeren Bandbreiten eine Erhöhung der Messdynamik.
Weiterhin ist es möglich, den Anti-Stokes-Verlust 12 des Pumplasers 1 durch das in dem oben erwähnten Artikel beschriebene Verfahren auf das mehrfache der doppelten Brillouin-Verschiebung zu verbreitern. Mit einem derart verbreiterten Anti-Stokes-Spektrum ist es möglich, sowohl den Bereich des Emissionsspektrums 9 als auch die Pumpwelle von Pumplaser 2 zu dämpfen. Diese Methode erhöht das Signal zu Rauschverhältnis und demzufolge die Messdynamik des Messaufbaus gegenüber der im vorherigen Absatz beschriebenen Methode, da sowohl das Übersprechen des Zirkulators als auch die durch Pumplaser 2 erzeugte Rayleigh-Streuung in der Faser stark gedämpft wird.
Figur 2 zeigt das prinzipielle optische Spektrum an Tor c des Zirkulators 5 für den Fall, dass der Pumplaser 2 auf eine Bandbreite, die der doppelten Brillouin Verschiebung entspricht, erweitert wurde. Wie aus Figur 2 ersichtlich, wird durch das von Pumplaser 1 erzeugte verbreiterte Anti-Stokes-Spektrum, das Emissionsspektrum 9, das Übersprechen der Pumpwelle 2 im Zirkulator 5 und die Rayleigh-Streuung von Pumplaser 2 gedämpft. Damit wird das Grundrauschen am Eingang des Photodetektors vermindert.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung des Frequenzspektrums (9) einer sich in einem Wellenleiter (6) in einer Vorwärtsrichtung ausbreitenden Probenstrahlung, wobei in entgegengesetzter Richtung eine erste Pumpstrahlung (11) in den Wellenleiter (6) eingekoppelt wird, die stimulierte Brillouin Streuung (SBS) an der Probenstrahlung verursacht, wobei die Frequenz der ersten Pumpstrahlung (11) derart verändert wird, dass der schmalbandige und um die Brilloin-Verschiebung verschobene Gewinn-Peak (10) der SBS durch das Frequenzspektrum (9) der Probenstrahlung wandert, wobei die Intensität der sich in Vorwärtsrichtung ausbreitenden Strahlung vermittels eines Detektors (8) gemessen wird, wobei das Ausgangssignal des Detektors (8) in Abhängigkeit der veränderten Frequenz der ersten Pumpstrahlung (11) registriert wird und wobei das Frequenzspektrum (9) der Probenstrahiung aus der Veränderung des Ausgangssignals bestimmt wird, dad u rch geke n nzeich net, dass parallel zur ersten Pumpstrahlung (11) eine zweite Pumpstrahlung (13) in den Wellenleiter (6) eingekoppelt wird, wobei die zweite Pumpstrahlung (13) einen Brillouin-Verlust (12) erzeugt, der im Verhältnis zum Gewinn-Peak (10) der ersten Pumpstrahlung (11) um ein Vielfaches breiter ist, wobei der Verlust-Peak (12) der zweiten Pumpstrahlung (13) in das Frequenzspektrum (9) der Probenstrahlung gelegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die Breite des Verlust-Peaks (12) durch Verbreiterung der zweiten Pumpwelle, insbesondere durch direkte Modulation einer zweiten Pumpquelle (1), eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, dass die Breite des Verlust-Peaks (12) auf das doppelte der Brillouin- Verschiebung eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 , d ad u rc h ge ke n nzei c h net, dass der Verlust-Peak (12) der zweiten Pumpstrahlung (1) mindestens die Breite des Frequenzspektrums (9) der Probenstrahlung aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 2 , dadu rch g eken nzeic h net, dass der Verlust-Peak (12) mit mehreren Pumplasern auf das Mehrfache der Brillouin-Verschiebung erweitert wird.
6. System zur Umsetzung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche aufweisend, einen Wellenleiter (6), in dem sich eine Probenstrahlung (9) in Vorwärts richtung ausbreitet, eine erste Quelle (2) zur Erzeugung einer ersten Pumpstrahlung (11), Mittel (4) zur Einkopplung der Pumpstrahlung (11) in den Wellenleiter (6) entgegen der sich in Vorwärtsrichtung ausbreitenden Probenstrahlung (9), ein Mittel (5) zur Auskopplung der in Vorwärtsrichtung propagierenden Strahlung und einen Detektor (8) zur Messung der Intensität der ausgekoppelten Strahlung, geken nzei ch net d urch eine zweite Quelle (1) zur Erzeugung einer zweiten Pumpstrahlung (13), die ebenfalls über das Mittel (4) zur Einkopplung in den Wellenleiter entgegen der sich in Vorwärtsrichtung ausbreitenden Probenstrahlung (9) einkoppelbar ist, wobei das Frequenzband der zweiten Pumpstrahlung (13) im Verhältnis zu dem der ersten Pumpstrahlung um ein Vielfaches breiter ist.
7. System nach Anspruch 6, dad u rch g eken nzeich net, dass die erste und die zweite Quelle von einem gemeinsamen Laser gespeist sind.
8. System nach Anspruch 6, dad u rc h geke n nzeich net, dass die zweite Quelle ein über einen separaten Modulator ansteuerbarer zweiter Laser (1) ist.
9. System nach Anspruch 8, dad u rch geken nzeich net, dass der zweite Laser (1) mit einer Rauschquelle (3) verbunden ist.
EP08855212A 2007-11-30 2008-10-28 Analyse optischer spektren mit grosser messdynamik Ceased EP2220469A1 (de)

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